羅歡，洪遠泉，文昊翔,楊森泉

　　(韶關學院 物理與機電工程學院,廣東 韶關 512005)

      摘要：針對目前市面上顯示系統(tǒng)在分布式視頻編解碼方向上的不足，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的多視角分布式視頻傳輸與處理系統(tǒng)，使用多視角RPRISM編解碼來實現(xiàn)分布式系統(tǒng)架構。主要介紹了該系統(tǒng)的總體結構以及主要功能，重點研究了多視角分布式的編碼方法以及MDVC處理子系統(tǒng)的實現(xiàn)。

　　關鍵詞：多視角；分布式；RPRISM；編解碼

0引言

　　多視角分布式視頻傳輸與處理系統(tǒng)是一種在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，高帶寬網(wǎng)絡的分布式多角度視頻監(jiān)控與拼接視頻墻顯示系統(tǒng)。一般地，物聯(lián)網(wǎng)視頻墻系統(tǒng)也稱為物聯(lián)網(wǎng)大屏，主要適用于諸如環(huán)境監(jiān)測、軍事、公共安全和公共空間視頻監(jiān)控等相關領域。物聯(lián)網(wǎng)視頻墻系統(tǒng)主要由視頻傳感器構成的輸入節(jié)點、網(wǎng)絡交換機、控制臺、集成了解碼節(jié)點的綜合服務器和液晶屏拼接單元組成。各個設備只通過網(wǎng)絡連接、傳遞和交互信息流。

　　目前，國際上視頻墻系統(tǒng)主流產(chǎn)品是美國Jupiter公司的Canvas產(chǎn)品、CineMassive公司的專利產(chǎn)品CineView液晶視頻墻以及三星公司的視頻墻產(chǎn)品。國內主要有研華科技的AVS系列電視墻產(chǎn)品和無錫思朗電子科技有限公司的VLAN 視頻墻拼接系統(tǒng)。Jupiter公司的Canvas是采用面向企業(yè)的新型多點可視化和協(xié)作解決方案。三星公司視頻墻產(chǎn)品主要應用于金融監(jiān)控方面的顯示系統(tǒng)［1］，其優(yōu)勢在于液晶視頻墻。比較而言，以上產(chǎn)品各具優(yōu)勢，但它們在分布式視頻編解碼方面的優(yōu)勢不足，尤其多視角呈現(xiàn)尚未見提及。

1系統(tǒng)總體構架

　　針對上述情況，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的多視角分布式視頻傳輸與處理系統(tǒng)，如圖1所示。視頻傳感器終端（攝像機）采集到的視頻經(jīng)過多視角分布式視頻編碼器進行壓縮編碼處理，再將編碼比特流通過無線視頻傳感網(wǎng)絡傳輸給綜合服務器解碼。視頻拼接控制器能在視頻墻上顯示單點或多點視頻內容［2］。各輸入終端分布式視頻處理節(jié)點也可顯示其他終端的多點視頻內容?？刂婆_則可以對整個系統(tǒng)進行實時的監(jiān)控與管理。視頻墻既可以對各監(jiān)控終端單點內容進行視頻拼接縮放或者疊加，也可以對多個攝像機終端融合后的多視角內容進行呈現(xiàn)。系統(tǒng)還能夠提供用戶遠程視頻查看與管理功能。遠程視頻顯示終端可以在任意可上網(wǎng)的地方依據(jù)不同權限調用查看某些輸入終端的內容。

　　多視角分布式視頻編碼（Multiview Distributed Video Codiry,MDVC）算法在FPGA平臺上實現(xiàn)，建立專用的分布式多視角視頻編碼工具集，根據(jù)編碼模型劃分不同的功能模塊，并采用不同的系統(tǒng)控制策略、優(yōu)化算法、總線結構以及片上存儲方法等，以實現(xiàn)MDVC處理子系統(tǒng)的高速高效性能［3］。每個分布式視頻處理節(jié)點都具備獨立的編解碼和通信能力，能顯示不多于2×2個子屏。

　　控制臺作為系統(tǒng)中的主控單位，統(tǒng)籌控制視頻數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸，并對視頻墻上顯示的視頻內容進行全權調配，包括實時視頻或者錄像視頻，顯示單點內容或者多點圖1系統(tǒng)結構圖

　　內容，視頻縮放或者疊加等。視頻墻能顯示不多于8×8個子屏。

　　服務器主要負責對多路MDVC處理子系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)進行多視角分布式解碼，并且通過視頻拼接控制器使其在視頻墻上顯示，用戶還可以使用筆記本、PDA、智能手機、智能電視等通過Internet遠程登錄來觀看任何一個MDVC子系統(tǒng)的視頻。

　　系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的主要功能有：（1）視頻墻顯示終端能夠同時對多路視頻信號進行平鋪顯示與跨屏顯示；（2）能夠對播放的視頻圖像進行拖動、疊加以及縮放等操作，同時能對視頻圖像的技術參數(shù)如對比度、亮度以及飽和度等進行設置；（3）系統(tǒng)能夠對當前已經(jīng)設置好的環(huán)境進行保存，同時能調用之前已保存的環(huán)境設置；（4）能夠支持同時輸入多路視頻信號、HDMI信號、VGA信號以及DVI信號等，最高可支持1 080 P信號采集輸入，全圖像處理無損傳輸，控制方式支持WiFi。

2MDVC處理子系統(tǒng)的研究

　　2.1分布式視頻編解碼

　　圖2分布式編碼體系結構圖隨著電子技術、通信技術以及計算機技術的飛速發(fā)展，大數(shù)據(jù)量的視頻流信號在網(wǎng)絡上進行實時傳輸已經(jīng)成為一個非常重要的研究課題。分布式視頻編碼(Distributed Video Coding，DVC)為其提供了一個良好的新型解決方案。DVC主要是在SlepianWolf與WynerZiv理論的基礎上提出的，其編碼體系結構圖如圖2所示。分布式編碼體系結構主要由分布式編碼與分布式解碼兩部分組成，其中分布式編碼可以看作是由一個量化器和一個SlepianWolf 編碼器(SWC)構成的，也可稱為WynerZiv 編碼器(WZC) ［4］。分布式解碼器主要是經(jīng)過編碼的信號再通過SlepianWolf 解碼器和最小失真的視頻重構，也可稱為WynerZiv 解碼器，最后輸出視頻流信號。目前，針對分布式編碼的研究重點主要還是集中在WynerZiv解碼器中邊信息的產(chǎn)生、估計、量化以及變換等。

　　本文采用的分布式編碼主要是基于由美國加州大學伯克利分校的RAMCHANDRAN K等研究人員提出的經(jīng)典模型，是一種基于Syndrome編碼技術［5］。它主要有兩個分支體系：Powerefficient Robust Highcompression Syndromebased Multimedia Coding(PRISM)和Distributed Source Coding Using Syndromes(DISCUSS)， 其中PRISM結構由于其內在的信源與信道是聯(lián)合在一起進行編碼，因此具備傳統(tǒng)的預測編碼所不具有的魯棒性，同時還具有低編碼復雜度，并行的編碼機制特點。因此，本文分布式編碼采用PRISM結構實現(xiàn)。

　　PRISM結構主要是利用trellis碼機來進行Syndrome編碼，采集到的原始視頻通過DCT變換與量化器，再通過Syndrome編碼器得到編碼比特流，然后在網(wǎng)絡中進行傳輸，終端接收到的比特流再通過Syndrome解碼器、CRC校驗，最后經(jīng)過估計、重構以及反DCT變換等處理最終得到已解碼的視頻數(shù)據(jù)，其編碼和解碼框圖如圖3所示。

　　2.2MDVC

　　多視角視頻傳感器系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的視頻流信號，因此必須采用高壓縮率的算法。然而傳統(tǒng)的視頻編碼的方式僅僅只是針對每一個攝像頭設備進行單獨的高級視頻編碼（Advanced Video Coding, AVC），如圖4所示。顯然，這種配置沒有考慮利用不同視角間的相關性，而且，AVC在編碼器端的復雜度很大，負擔很重。

　　DUFAUX F等人針對傳統(tǒng)視頻編碼的不足提出了一種MDVC結構。該結構共有3個攝像頭，其左右兩邊的攝像頭采用傳統(tǒng)的AVC算法，中間的攝像頭則使用DVC算法［6］。其系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

　　圖4傳統(tǒng)的視頻編碼方案圖5多視角分布式視頻編解碼方案綜上所述，本文提出的多視角分布式編解碼系統(tǒng)如圖6所示。WynerZiv是一種使用獨立編碼與聯(lián)合解碼的方法來對視頻流信號進行編解碼的編碼方式，即在編碼過程中對各個視頻流信號分別進行獨立的編碼，這時只需要考慮邊信息和編碼幀之間的一些相關性；在解碼過程中則使用相關的邊信息即可進行WynerZiv解碼，得到視頻流信號。使用WynerZiv編碼能夠避免一些由于預測編碼所形成的如錯誤擴散等問題［7］。

　　使用這種結構進行編解碼可以使攝像頭端的編碼復雜度降低，并且攝像頭之前不需要相互通信。每個攝像頭采集到得視頻流信號均使用PRISM結構的WynerZiv編碼器進行編碼，然后通過網(wǎng)絡交換機發(fā)送到服務器終端來進行解碼，WynerZiv解碼器接收到數(shù)據(jù)之后通過運動搜索以及邊信息估計來進行融合解碼。

　　2.3MDVC處理子系統(tǒng)

　　MDVC處理子系統(tǒng)是在Altera的DSP Development Kit Stratix III Edition開發(fā)平臺上，采用硬件描述語言編程實現(xiàn)該多角度分布式視頻編解碼的硬件電路，能夠達到技術指標要求的高速目標。Altera的FPGA產(chǎn)品Stratix III擁有硬DSP功能，適用于視頻圖像處理領域、無線通信和數(shù)字顯示領域。

3系統(tǒng)測試

　　本系統(tǒng)在基于WiFi的局域網(wǎng)環(huán)境下進行測試，智能終端設備選用智能電視，攝像頭采集圖像的頻率設置為704×576。經(jīng)測試，在分辨率以及其他測試環(huán)境保持不變的情況下，同時滿足視頻實時傳輸保持在20 fps,未經(jīng)過MDVC的延時為2~3 s，經(jīng)過MDVC的延時可以保持1 s左右，系統(tǒng)總體還需進一步改善以滿足更高的實時性的要圖7系統(tǒng)測試圖

　　求。測試圖如圖7所示。

4結論

　　本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的多視角分布式傳輸與處理系統(tǒng)，采用MDVC用于提高邊信息的準確度，并使用FPGA實現(xiàn)分布式節(jié)點編解碼器。該系統(tǒng)能夠顯示各監(jiān)控點單點內容和多個攝像頭綜合后的多視角內容，在實際應用中間有重大意義，可以應用到如環(huán)境監(jiān)測、軍事指揮、公共安全和公共空間視頻監(jiān)控等相關領域。

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